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——以“測定太陽能電池片特性”實驗為例

鄭揚威

(廣州市第二中學 廣東 廣州 510530)

1 電池的參數

高中物理教材人教版選修3-1研究過干電池的伏安特性曲線，即外電壓U與干路電流I的關系，從中得到電池的電動勢E與內阻r.E和r是電池性能的兩個重要參數.對于干電池來說，其電動勢和內阻一般保持不變(除非用久了或者化學物質“變質”了).那么，今天我們來研究一下太陽能電池片的電動勢與內阻的影響因素.

2 測量原理介紹

根據所學知識，電動勢等于電路斷開時電池兩端的電壓，即開路電壓.電池內阻等于電動勢與短路電流的比值.我們設計如圖1和圖2所示的電路圖，在圖1中電壓表的讀數U=E，圖2中電流表讀數I為短路電流，則電池片內阻為

圖1 開路電壓測量

圖2 短路電流測量

為實現在一個電路圖中能測到電流和電壓，我們采用單刀雙擲開關設計.圖3為優化后的電路圖設計.當開關接觸a端，測量開路電壓；接觸b端，測量短路電流.

圖3 優化后的電路圖

電池的輸出功率P等于路端電壓U與干路電流I的乘積，即P=UI.我們設計如圖4所示的電路圖研究電池片的輸出功率問題.在穩定亮度的光源下，改變電阻箱阻值，測出路端電壓和干路電流，分析U-I曲線并計算輸出功率.由閉合電路歐姆定律

E=U+Ir

得到

U=E-Ir

可知U-I曲線的截距為電動勢E，斜率的絕對值為內阻r.同時由理論分析可知當外電阻等于內阻時，電源輸出功率最大.

圖4 電池片輸出功率研究電路

3 探究太陽能電池片的相關參數

根據太陽能電池片的特點，我們猜想電動勢可能與光照強度(W/m2)、光照面積等有關系.由于電池本身是半導體材料制作的，因此電池片內阻可能也受溫度影響.

活動1:在室外粗略研究光照強度和光照面積對電動勢的影響.

器材：太陽能電池板、數字化多用電表、導線若干.

活動1如圖5所示.

圖5 活動1

活動2:在室內研究光照強度和溫度對電池電動勢和內阻的影響,如圖6所示.

圖6 活動2

方法：采用控制變量法；

器材：亮度可調的光源、電池板、數字多用電表、多用電表(mA擋)、開關、導線若干；

電路：按圖3實驗電路圖進行測量；

記錄：電壓表讀數(E)、干路電流(I)見表1.

實驗一結論：溫度不變時，亮度越大，電動勢越大，內阻越小.

實驗二結論：亮度不變時，溫度越高，電動勢越小，內阻也越小.同時短路電流，即電池片的輸出電流幾乎不變.

由于太陽能電池片由半導體材料制成，因此溫度越高，電池片內阻越小.至于亮度影響內阻以及亮度不變時，輸出電流幾乎不變，則需要在大學物理繼續深入學習，在這里不做贅述.

表1 實驗數據記錄

活動3:在室內探究太陽能電池片的輸出功率問題.

器材：可改變光照強度的光源、電池板一塊、數字多用電表一臺(測電壓)、電阻箱、指針多用電表(mA擋)、開關、導線若干.

注意：為避免光照強度對電池板溫度的影響，每測量一組數據迅速記錄并關燈.

實驗電路圖與學生實驗過程如圖7和圖8所示.

圖7 實驗電路圖

圖8 學生實驗

實驗數據記錄如表2所示.

表2 實驗數據記錄

從圖9可知，電池板輸出功率隨負載電阻變化而變化，且先增大后減小，存在一個最大值；從圖線和表格中可以看出，當負載的阻值與電池板內阻接近時，電池板的輸出功率趨于最大.這個結果與理論推導的結論吻合.

圖9 P-R曲線

如圖10所示，I-U圖的斜率代表太陽能電池片的“等效內阻”.從I-U圖可以看出，電壓在某個值前后，圖線基本是直線，說明“等效內阻”不變.但當電壓達到某一個值時，“等效內阻”突然改變.過某點做I軸與U軸的垂線，此時圍成的面積表示輸出功率.顯然，在拐角處的輸出功率最大.實驗中的拐角處剛好是表格數據中的U=16.87 V，I=0.014 A這個點，通過表格可以看出這個點的輸出功率最大.

圖10 I-U曲線

由于數據不夠多，實驗結果可能存在些許誤差.但實驗結果總體上與理論分析吻合，即當外電阻與內電阻相等時，電源輸出功率最大.

同時測量過程發現兩個電流表示數始終相同，說明數字電表電壓擋的內阻幾乎無窮大.筆者猜想，數字電表的電流擋內阻應該幾乎為零，暫時沒去驗證.

對太陽能電池片而言，轉化效率才是太陽能電池片性能最重要的參數，轉化效率等于輸出功率與入射光功率的比值.轉化效率越高，說明一定量的太陽能轉化為電能的比率越大，如何提高轉化效率是太陽能電池研究的重要內容，后續將繼續研究這個內容.